不同摻量YF3氟化物助劑對Si3N4顯微結(jié)構(gòu)及熱導(dǎo)率的影響

呂東霖 黃念勝

摘 要：通過加入不同含量的YF3氟化物助劑，在1 900 ℃/1 MPa N2壓力下保溫4 h，以研究YF3含量差異對于Si3N4顯微結(jié)構(gòu)及熱導(dǎo)率的影響。結(jié)果表明，少摻量的YF3助劑對Si3N4的致密過程基本沒有影響，但能較明顯促進(jìn)晶粒的生長從而提高熱導(dǎo)率;當(dāng)加入大摻量YF3時，致密過程因為氣體物質(zhì)的生成及助劑本身的揮發(fā)而受到一定抑制，由此引發(fā)較多的氣孔，但因為大摻量YF3組的晶粒尺寸更大，樣品最終的熱導(dǎo)率也更大，最高達(dá)到了81.88 W/（m-1·K-1）。

關(guān)鍵詞：氮化硅（Si3N4）;YF3氟化物助劑;熱導(dǎo)率

中圖分類號：TH145.1+1;TQ174.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）10-0018-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.10.006

0? ? 引言

氮化硅（Si3N4）因具有強度高、硬度大、高溫蠕變小、熱腐蝕性能好、熱膨脹系數(shù)較低、熱導(dǎo)率較高和摩擦系數(shù)小等優(yōu)異特性，被普遍認(rèn)為是綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷材料之一[1-2]。另外，其熱膨脹系數(shù)（CTE=

3.0×10-6/℃）與常用的SiC、GaAs等第三代半導(dǎo)體芯片的熱膨脹系數(shù)[分別為CTE=（3.6～4.0）×10-6/℃，6×10-6/℃]相似，在較大溫度波動時兩者的尺寸變化量趨于一致，具有極好的熱循環(huán)性能，其可靠性相較氧化鋁和氮化鋁有顯著的提升，循環(huán)次數(shù)高達(dá)5 000次，是比較適合大功率第三代半導(dǎo)體器件封裝的解決方案[3]。

MgO和Y2O3作為常用的燒結(jié)助劑，在高溫下會與Si3N4形成共融液相而促進(jìn)燒結(jié)的致密化。但O元素是影響Si3N4熱導(dǎo)率的主要因素之一，在制備高熱導(dǎo)Si3N4時一般要求盡可能低的氧含量引入。而相比Y2O3，YF3由于不含O元素且具有更低的熔點，也作為Si3N4燒結(jié)的添加劑使用。文獻(xiàn)[4]發(fā)現(xiàn)YF3在高溫時會與Si3N4表面的SiO2反應(yīng)，提高液相中的Y2O3/SiO2比，促進(jìn)晶界的遷移，進(jìn)而提升Si3N4的熱導(dǎo)率。文獻(xiàn)[5]在制備高熱導(dǎo)氮化鋁（AlN）陶瓷時同樣發(fā)現(xiàn)F元素的存在雖然對最終樣品的相組成無明顯影響，但更利于獲得氧含量更低的制品進(jìn)而提升熱導(dǎo)率。本文通過設(shè)置不同的YF3助劑比例，以研究YF3氟化物助劑對Si3N4顯微結(jié)構(gòu)及熱導(dǎo)率參數(shù)的影響。

1? ? 實驗

1.1? ?樣品的制備

以α-Si3N4粉體（SN-9FWS，DENKA電化株式會社）為原始粉料，燒結(jié)助劑為MgO、Y2O3及YF3（均來自上海阿拉丁生化科技股份有限公司），使用行星式球磨機將各粉料按表1所示比例與酒精混合球磨3 h后，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀干燥并經(jīng)100目篩網(wǎng)過篩，通過壓模把粉體壓實后再經(jīng)200 MPa冷等處理。通過1 900 ℃/1 MPa N2氣壓燒結(jié)4 h后得到最終Si3N4燒結(jié)體。

1.2? ? 測試與分析

燒結(jié)樣品的密度通過阿基米德排水法測得，熱擴散系數(shù)α通過激光閃光熱分析儀（LFA447，NETZSCH Instruments Co.， Ltd）測得，并通過公式κ=ρCpα計算得到熱導(dǎo)率，其中ρ為阿基米德法測出的樣品實際密度，Cp為比熱容，一般采用定值0.68 J·g-1·K-1;樣品的相組成采用X射線衍射儀（D8，Advance，BRUKER）進(jìn)行測量，顯微結(jié)構(gòu)通過掃描電子顯微鏡（SEM SU8220 Hitachi，Tokyo，Japan）拍攝表征。

2? ? 結(jié)果與討論

2.1? ? 密度

表2列出了不同配方樣品的密度及致密度情況，由此可發(fā)現(xiàn)在摻加少量YF3時（如F2樣品），Si3N4的密度基本無變化，但當(dāng)YF3含量過大時，樣品的密度出現(xiàn)了較為明顯的降低。這主要是因為YF3的熔點（約1 150 ℃）相較Y2O3更低，且其在高溫下的蒸汽壓也較大，易于揮發(fā)。另外，如反應(yīng)式（1）所示[4]，YF3還容易與Si3N4表面的SiO2反應(yīng)生成氣體物質(zhì)，這共同導(dǎo)致了大摻量YF3樣品的密度較低。

4YF3+3SiO2→2Y2O3+3SiF4↑（1）

2.2? ? 物相組成

由圖1的XRD圖譜可看出，樣品經(jīng)過1 900 ℃、4 h的高溫?zé)Y(jié)后，原始的α相粉體已全部轉(zhuǎn)化為β相，這主要得益于燒結(jié)助劑在高溫時溶解成液相，促使強共價鍵α-Si3N4晶體過飽和從而析出β相，并通過溶解—沉淀過程得以長大。而在冷卻的過程中，液態(tài)的助劑也隨之冷卻凝固并粘附在晶粒間形成第二相。另外，從圖1可發(fā)現(xiàn)還存在次晶相Y2SiO5，隨著YF3含量的增加，其峰強也逐漸減弱，這可能是參與Y2SiO5次晶相形成的Y2O3含量過低的緣故。

2.3? ? 顯微結(jié)構(gòu)

由圖2的SEM顯微圖可發(fā)現(xiàn)，雖然不同配方樣品的燒結(jié)助劑總量都是8 wt%，但由上到下可發(fā)現(xiàn)白色區(qū)域（第二相）的占比逐漸減少。YF3摻量大的樣品（如F6），第二相更趨向于分布在多晶的交界處，晶粒間的晶界厚度較薄，但含有更多的氣孔，而YF3摻量小的樣品（如F0）晶界層的厚度則較薄，但氣孔較少。這同樣是因為隨著YF3摻量的增加，YF3助劑蒸發(fā)及與SiO2反應(yīng)生成氣體物質(zhì)的量增大，由此導(dǎo)致顯微圖中第二相占比更低。從晶粒大小角度看則能發(fā)現(xiàn)F2樣品的晶粒大小相比F0樣品有了較明顯的增長，隨著YF3含量的增加，晶粒也逐漸長大，說明YF3助劑的加入有利于Si3N4晶粒的生長。

2.4? ? 熱導(dǎo)率

影響氮化硅熱擴散系數(shù)的主要因素包括氧含量、晶粒大小、晶粒排列方向、氣孔、第二相含量及位置等[6]。氣壓燒結(jié)Si3N4最終的熱導(dǎo)率如圖3所示。隨著YF3含量的增加，Si3N4的熱擴散系數(shù)呈上升趨勢，最高值38.56 mm2/s取在YF3含量為6 wt%時，與YF3含量為4 wt%時的38.30 mm2/s差別不大。結(jié)合上述密度及顯微結(jié)構(gòu)的分析可知，在F0和F2樣品中，氣孔率相差不大，但F2樣品的晶粒大小明顯更大，所以F2的熱擴散系數(shù)和熱導(dǎo)率也相應(yīng)更高。而F4樣品氣孔更少但晶粒偏小，F(xiàn)6樣品氣孔更多但晶粒偏大，兩者相似的熱擴散系數(shù)說明兩者的優(yōu)劣勢正好幾乎抵消，但因為熱導(dǎo)率還取決于樣品的密度，所以擁有更高密度的F4樣品可達(dá)到最高81.88 W/（m-1·K-1）的熱導(dǎo)率。

3? ? 結(jié)論

通過對比不同摻量YF3助劑對Si3N4顯微結(jié)構(gòu)及熱導(dǎo)率的影響，得到如下結(jié)論：

（1）相比未摻加YF3氟化物助劑的樣品，摻加YF3有利于晶粒大小的增長。

（2）相比少摻量YF3氟化物助劑的樣品，大摻量YF3有利于獲得更大的晶粒尺寸，但同時也會導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)氣孔過多，宏觀上樣品不致密。

（3）綜合YF3引入帶來的優(yōu)缺點，將YF3摻量控制在2～4 wt%有望得到熱導(dǎo)性能和力學(xué)性能均衡的Si3N4陶瓷。

[參考文獻(xiàn)]

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[6] HU F，XIE Z P，ZHANG J，et al.Promising high-thermal-

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收稿日期：2022-02-23

作者簡介：呂東霖（1996—），男，廣東揭陽人，碩士研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)陶瓷。